Der Einfluß der extrakorporalen Stoßwellenapplikation (ESWA) auf das biologische Verhalten von Knochenzellen in vitro

 

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Zusammenfassung.

Fragestellung Der ESWA werden sowohl osteodestruktive als auch osteostimulierende Effekte zugeschrieben. Dabei wird ein Zusammenhang zur applizierten Energie postuliert. Wir untersuchten deshalb, ob die ESWA in vitro einen Effekt auf das Wachstums- und Proliferationsverhalten von humanen Knochenzellen ausübt. Methode: Humane spongiöse Knochenbiopsate wurden kultiviert, so daß daraus Zellen wuchsen; nach Entstehung eines konfluenten Zellrasens wurden 5 × 10⁵ Knochenzellen in Rundboden-Röhrchen eingebracht, abzentrifugiert und mit Medium überschichtet. Anschließend wurden unter standardisierten Bedingungen Stoßwellen appliziert. Anzahl (500, 1000 und 2000 Impulse) und Intensität (0,15, 0,26 und 0,51 mJ/mm² Energieflußdichte-EFD) der Stoßwellen wurden systematisch kombiniert. Jede Kombination wurde 10-mal durchgeführt, zusätzlich gab es eine unbehandelte Kontrollgruppe. Zellvitalität, Stoffwechselaktivität (knochenspezifische alkalische Phosphatase), Syntheseleistung (knochenspezifische Kollagen-Typ-I-Synthese) und Wachstumsverhalten der Zellen wurden bestimmt. Ergebnisse: In Abhängigkeit von Impulszahl und Intensität, d.h. von der effektiven Gesamtenergie, kommt es zu einer Abnahme der Überlebensrate behandelter Knochenzellen. Nach 2000 Impulsen hochenergetischer ESWA sind nur noch 40 % der behandelten Zellen vital. Die überlebenden Zellen sind nach ESWA in bezug auf die Aktivität der alkalischen Phosphatase vergleichbar mit unbehandelten Zellen. In Abhängigkeit von der Impulszahl - aber intensitätsunabhängig - sinkt die Kollagen-Typ-I-Syntheseleistung der vitalen Zellen. Zwischen dem 3. und 8. Beobachtungstag kam es zu einer signifikanten Steigerung der Proliferationsrate der mit 2000 Impulsen mittlerer und hoher Intensität behandelten Kulturen. Schlußfolgerung Es besteht ein Dosis-Wirkungs-Prinzip der ESWA: Eine Mindestzahl an Impulsen oberhalb einer Mindest-EFD wird benötigt, um Effekte auf das Knochenzellverhalten zu erreichen und nachzuweisen, dabei ist die Impulszahl der maßgebliche Faktor. Hohe ESWA-Dosen bewirken kurzfristig eine Zelldestruktion, mittelfristig eine Stimulation der überlebenden Zellen

Aim: Osteodestructive effects as well as stimulation of bone growth are often described after extracorporeal shock-wave application (ESWA). A correlation between the applicated energy and outcome is assumed. The purpose of this study was to analyze, whether ESWA has an influence on growth and proliferation of bone cells in vitro. Methods: Human cancellous bone was cultivated until a confluent cell layer had grown. 5 × 10⁵ bone cells were transfered into U-formed tubes, centrifuged and covered with cultivation medium. Thereafter ESWA was applicated in a standarized manner. Number and intensity of ESWA were systematically combined (500, 1000, 2000 and 0.15, 0.26, 0.51 mJ/mm² energy flux density-EFD, respectively). Ten samples per combination were analyzed. In addition, we examined an untreated control group. Survival, metabolism (alkaline phosphatase activity), type I collagene-synthesis as well as proliferation were determined. Results: There is a decrease of survival after ESWA depending on the number of impulses and intensity (dose-dependent survival). Cell survival was significantly reduced to 40 % after 2000 impulses with high energy rates. Metabolism of surviving cells is not altered by ESWA in comparison with controls. Depending on the number but not on the energy of impulses the type I collagene-synthesis of surviving cells decreased. Between the 3rd and the 8th day after ESWA proliferation increased significantly in cell cultures treated with 2000 impulses of medium or high energy rates. Conclusions: There is a direct relation between dose and effect for ESWA: A minimum number of impulses and EFD is needed to cause effects on bone-cells. This mainly depends on the numbers of impulses. Destruction of cells is a short-time effect of high shock-wave-doses, a medium-term effect is a cell-stimulation.

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D. Kusnierczak

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